海阳中心渔港建设对附近海域冲淤的数值模拟预测

吴园园，娄安刚，张 坤，方雪原

(中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

海阳中心渔港建设对附近海域冲淤的数值模拟预测

吴园园，娄安刚，张 坤，方雪原

(中国海洋大学 环境科学与工程学院，山东 青岛 266100)

利用MIKE21二维水动力模型，对海阳中心渔港建设前，以及两种预选方案建设后海域潮流分别进行数值模拟。在潮流模拟验证正确的基础上，建立了海底冲淤预测模型，预测了工程建设前后静风条件下全年冲淤趋势。并运用MIKE21 Coupled ModelFM模块，模拟了极端天气条件(SE15 m/s大风)浪流共同作用下工程附近海域的冲淤情况。根据方案建设前后潮流场、冲淤趋势进行分析，确定最优方案，为海阳中心渔港的规划设计提供决策参考。

MIKE21；海阳中心渔港；数值模拟；冲淤模型

海阳市南濒黄海，海岸线东起与乳山市交界的琵琶岛官厅咀，西至与莱阳市交界的丁字湾，海岸线长229.4 km。海阳近海及周边海域有众多的渔场，渔业资源丰富，但现有的渔港规模不能适应当前和今后渔业发展的需要，并成为制约当地渔业经济快速发展的主要瓶颈，建设海阳中心渔港势在必行。

海阳中心渔港用海位置为海阳市凤城镇寨前村南海域，位于121°18′～121°19′E,36°42′～36°43′N。建设海阳中心渔港，可有效整合沿海岸线的零散渔业资源，是沿岸整体规划，提升其生产和避风条件和渔港的配套功能的需要。渔港的建设是渔区城镇化建设和渔业产业化调整有机结合，符合国家的产业政策，对促进当地渔业多元化和可持续发展、振兴地方经济、保障渔业生产和渔民生命财产安全、安置转产转业渔民、提高渔民生活水平等具有重要意义。

MIKE21模型是丹麦水力研究所开发的系列水动力软件之一，广泛应用于国内外水动力模拟当中，取得了较好的效果[1-8]，是目前国际上较为先进的模型之一。本文利用MIKE21构建海阳中心渔港二维水动力数学模型以及泥沙数学模型，对工程前和不同方案建设后的流场以及海底冲淤情况进行数值模拟，为海阳中心渔港的规划设计提供决策参考。

1 预选方案的提出

海阳中心渔港位于胶东半岛南岸的乳山口与丁字河口之间的凤城近岸海域。港区西侧约200 m处为海阳港东港区海上疏港路工程(在建)，海上疏港路全长3 700 m(其中桥梁200 m)、路基全宽45 m，其中距起点1 000 m处建设200 m长的桥梁一座。

本工程属渔港基础设施，建设内容包括码头和防波堤、引堤、港池、航道和锚地，现有两个平面方案布置(图1,2)。

方案1渔港布置：沿河口入海口的东侧建一宽12 m，长440 m的栈桥式引堤(引堤为透空式结构)，便于渔港港池内外水体交换。在引堤入海口端头通过人工填海形成陆域，陆域东西向长323 m，南北向长615 m，总面积为20.39万 m2。在陆域的西侧建设长600 m的顺岸码头，陆域的北侧、东侧及南侧为护岸。在陆域的西南侧分别建设东、西防波堤，东防波堤的走向为SSW-NNE，长度为250 m；西防波堤走向为E-W，W侧接正在建设的海阳港区东港区的海上疏港路，西防波堤长度为150 m。东、西防波堤之间门口宽度为190 m，两堤共形成港池水域面积83.94万 m2。

方案2渔港布置：沿河口入海口的东侧建一宽12 m，长379 m的栈桥式引堤(引堤为透空式结构)，便于渔港港池内外水体交换。在引堤入海口端头通过人工填海形成陆域，陆域东西向长320 m，南北向长660 m。在陆域西侧建设长660 m的顺岸式重力式码头，陆域东侧及南侧为防波堤，陆域北侧为直立式岸壁，在陆域的西南侧建设防波堤建码头，防波堤走向为SSW-NNE，长度为400 m。共形成陆域面积25.863 6万 m2。防波堤兼码头与正在建设的烟台港海阳港区东港区的海上疏港路之间口门宽度为200 m，两堤共形成港池水域面积为82.68万 m2。

图1 方案1平面图Fig.1 Layout of plan 1

图2 方案2平面图Fig.2 Layout of plan 2

2 规划港区潮流和泥沙特性

2.1 潮流特征

本海区潮汐类型属规则半日潮，表现为较强的往复运动，主流向为偏W-E向，其中偏W向为涨潮流向，偏E向为落潮流向[9]。

2.2 泥沙来源

泥沙来源主要有4个方面：1)河流来沙；2)由邻近岸滩搬运而来；3)海岸侵蚀来沙；4)海底来沙。

沿岸泥沙的主要来源为河流输沙，而岸滩侵蚀来沙和外海来沙极小。工程区附近有东村河和留格庄河两条较大入海河流，东村河位于工程的西南侧，留格庄河位于工程的东北侧。影响该区泥沙来源主要是东部河流，西部对该海域影响极小。

留格庄河年输沙量约为9.7～16.1万t，1994年留格庄河上中游已兴建1座中型水库，可拦截0.16万t的泥沙。来沙量主要集中在洪水季节，粗颗粒物质沿程堆积，细颗粒下泄入海，据目前情况估计约有8.0万t泥沙，在浪和流的作用下向西运移[10]。

海阳中心渔港东侧为礁石等基岩海岸，在波浪和潮流作用下，受到侵蚀，侵蚀下来的泥沙发生搬运，但其泥沙来源较邻近岸滩搬运来沙少。

规划区海底处于轻微侵蚀状态，海底侵蚀的泥沙也可进行再配，成为沙源之一。根据工区海洋动力条件及底质状况分析，用海区域附近海底来沙甚少。

2.3 表层沉积物

海阳中心渔港海滩上沉积物主要是砂质沉积物，包括细砂、中细砂、粗中砂等四种类型沉积物。港区海底沉积物颗粒以粉砂和粘土为主，根据资料调查，泥砂粒径平均值选取为10 μm，泥沙干容重2.8 g/cm3。

2.4 含沙量

该海区含沙量变化比较小，大潮期平均含沙量的变化范围在27.8～60.0 mg/L。小潮期，平均含沙量的变化范围为23.9～57.9 mg/L[11]。

3 潮流数值模拟

3.1 计算域设置及网格设置

利用MIKE21建立的模型计算域坐标范围为121°00′～121°38′E,36°15′～36°50′N。采用不规则的三角形网格进行计算,计算网格总的网格数为5 594，网格节点数为2 980，网格分布见图3。

3.2 水深和岸界

水深和岸界根据中华人民解放军航海保证部制作的12310号海图及工程附近海域水深地形资料确定。

3.3 开边界

从《渤海 黄海 东海海洋图集：水文》[12]中摘得古龙嘴、丁字河口和千里岩三个站点的M2、S2、K1和O1四个分潮调和常数，然后用MIKE21对开边界潮位进行预报。

图3 计算域网格分布图Fig.3 Grid distribution in the computed domain

3.4 潮流及潮位的验证

验证点资料为中国海洋大学实测的数据，验证点位置见表1。

表1 验证点坐标Table 1 Coordinates of the stations for validation

将数值模拟结果与验证资料进行比对，得出验证曲线(图4)。

根据潮流对比验证图可以看出，模型基本反映了实际流速的涨急落急的状态。无论是潮位、流速大小还是流向，计算值与实际值基本吻合，说明模型采用的参数基本合理，计算方法可靠，再现了规划港区海域的潮流运动特性，能够满足进一步预测和研究的需要。

3.5 渔港建设前后潮流模拟结果

图5a和图5b是模拟出的工程前涨、落急时刻的潮流场分布。港区附近海域的潮流场有如下特点：涨急时刻潮流流向整体呈E-W向，最大涨潮流速48～52 cm/s；落急时刻潮流流向整体上呈W-E向，最大落潮流速为56～60 cm/s。潮流基本为往复流形式，潮流流速在水平方向上表现为在近岸海域流速较远岸小。

图4 潮流对比验证Fig.4 Comparison and verification of the tidal currents

图5c和图5d为方案1建设后涨、落急时刻的潮流场分布，涨急时刻潮流流向整体呈E-W向，最大涨潮流速为44～48 cm/s；落急时潮流流向整体上呈W-E向，最大落潮流速为52～56 cm/s。由于渔港工程的阻碍，在渔港附近，潮流场受到一定的影响，拟建码头和岸线之间的水道流速明显增强，涨急时流速增加13～15 cm/s，落急时流速增加14～15 cm/s。同时拟建引桥港池出口处的流向也发生了改变，涨急时由E-W向变为S-N向，落急时由W-E向变为N-S向。

图5e和图5f为方案2建设后涨、落急时刻的潮流场分布。涨急时刻潮流流向整体呈E-W向，最大涨潮流速为44～48 cm/s；落急时潮流流向整体呈W-E向，最大落潮流速为48～52 cm/s。由于受到渔港的阻碍，在渔港附近，潮流场受到一定的影响，拟建码头和岸线之间的水道流速明显增强，涨急时流速增加14～15 cm/s，落急时流速增加9～15 cm/s。同时拟建引桥港池出口处的流向也发生了改变，涨急时由E-W向变为S-N向，落急时由W-E向变为N-S向。

图5 模拟流场图Fig.5 The simulated flow fields

4 冲淤趋势模拟

4.1 静风条件下全年冲淤趋势预测

在MIKE 21建立的水动力场的基础上，耦合MT模型，模拟了静风条件下全年工程前和两种方案建设后海底泥沙冲淤趋势(图6)。因为计算海域范围较大，水体中的泥沙很难在整体上达到平衡状态，为了研究拟建工程附近海区冲淤变化影响，将工程前后泥沙初始条件设为一致。在该模块中没有加入波浪，只考虑了在潮流作用下海底全年的冲淤趋势。

图6 模拟全年冲淤图Fig.6 The simulated annual erosion-deposition graphs

工程建设前，在不考虑波浪条件下，由于受地形的影响，冷家庄和海阳港之间的外海海域处于冲刷状态，冲刷程度在0.8～3.0 cm/a，海阳港二期西南角附近海域和工程西侧疏港路附近海域冲刷较强，冲刷程度局部大于5.0 cm/a。冷家庄和海阳港之间的岸边附近海域以及冷家庄南部部分海域处于微淤积状态，年淤积程度在0.8～2.0 cm/a。工程附近海域工程两侧岸边小范围内处于淤积状态，程度小于1.0 cm/a，拟建工程西侧疏港路桥梁下的水道冲刷程度较大，约为5.0 cm/a。

工程(方案1)建设后，由于工程改变了岸线，对工程附近海区冲淤状况改变较大，其余海区改变较小。方案1建设后，冷家庄和海阳港之间的外海海域冲刷程度略有减小，其岸边附近海域淤积程度略有增强，改变量值在-0.2～0.4 cm/a。拟建东、西防波堤之间的海域处于冲刷状态，程度在0.8～5.5 cm/a，拟建码头和岸线之间的水道冲刷程度明显增强，程度约5.4 cm/a。淤积加强的区域多集中在港池区域以及工程的南侧，淤积强度约为1.0 cm/a。拟建西防波堤和海上疏港路之间的夹角处也处于淤积的状态，淤积程度约为0.8 cm/a。

由于方案1与方案2在平面布置上差别不是很大，因此方案2建设后，相比于方案1其余海区冲淤状况的改变也较小，仅工程附近海域的影响较大，拟建码头防波堤西南侧海域处于冲刷状态，程度在0.8～5.0 cm/a，拟建码头和岸线之间的水道冲刷程度明显增强，程度约4.5 cm/a。拟建码头两侧淤积范围和程度稍微有所增强，淤积加强的区域多集中在疏港路的西侧，拟建工程的东侧和南侧以及工程的港池区域，淤积强度约为1.0 cm/d。

4.2 SE向大风条件下24 h冲淤趋势分析

根据南黄岛观测站(距本项目最近约33 km)1984～1994年的波浪统计资料，该区强波向为SE。海阳气象站的调查资料显示SE向最大风速为15 m/s。在模型中，打算使用风生浪来计算波浪，因此结合波浪和风资料，选择极端天气条件(SE大风15 m/s)来进行数值模拟预测。

采用MIKE21 Coupled Model FM模型，耦合HD、SW以及MT模块，对SE大风条件24 h后的冲淤趋势进行数值模拟，冲淤趋势图见图7。

SE大风(15m/s)作用24 h后，海阳港与冷家庄之间的外海海域处于冲刷状态，冲刷程度在0.4～2 cm/d，海阳东港区海上疏港路和冷家庄之间的岸边附近海域受波浪和潮流的影响也处于微冲刷状态，冲刷程度小于0.4 cm/d；疏港路东侧部分区域处于轻微的淤积状态。海阳港二期西南角附近海域和海阳东港区海上疏港路附近海域冲刷较强，冲刷程度局部分别大于5.0 cm/d和3.0 cm/d。

方案1建设后，SE大风(15 m/s)作用24 h后，渔港的建成仅对其附近海区冲淤状况改变较大。冲刷加强的区域为拟建码头和岸线之间的水道、东西防波堤之间的航道，冲刷程度最大增加量分别约为0.8 cm/d和0.7 cm/d。工程西侧疏港路桥梁下的水道冲刷强度约3.0 cm/d，比工程前减小约2.0 cm/d。淤积加强的区域多集中在疏港路的西侧，拟建工程的东侧和南侧以及工程的港池区域，淤积强度增加范围为0～0.15 cm/d。拟建西防波堤和海上疏港路之间的夹角处也处于淤积的状态，淤积程度约为0.4 cm/d。渔港的建设对其余海区的影响较小，仅在海上疏港路西侧小面积区域淤积增强，增加幅度约0.4 cm/d。

方案2建设后，SE大风(15 m/s)作用24 h后，渔港的建成只对其附近海区冲淤状况改变较大。冲刷加强的区域为拟建码头和岸线之间的水道、防波堤及海上疏港路之间的航道，冲刷程度最大增加量分别约为1.2 cm/d和0.6 cm/d。工程西侧疏港路桥梁下的水道冲刷强度约为2.5 cm/d，比工程前减小约为2.5 cm/d。淤积加强的区域多集中在疏港路的西侧，拟建工程的东侧和南侧以及工程的港池区域，淤积强度增加范围为0～0.21 cm/d。

图7 模拟SE大风冲淤图Fig.7 The erosion-deposition simulated under big SE wind

5 结 论

1)海阳中心渔港建设只对附近海域流场影响较大，导致局部流场发生改变。方案1以及方案2建设后在引堤透空段的水动力条件均增强。方案1建设后涨、落潮流速增加分别为13～15 cm/s和14～15 cm/s，方案2建设后涨、落潮流速增加分别为14～15 cm/s和9～15 cm/s。方案1与方案2建设后渔港航道水流流向均发生了改变，涨急时由E-W向变为S-N向，落急时由W-E向变为N-S向。除了港池航道处水动力改变差别较大外，方案1与方案2水动力改变差别不大。

2)在静风条件和SE大风条件下，方案1建设后，西防波堤和海阳港东港区海上疏港路工程之间的夹角均处于淤积状态，由于淤积程度较小，不会影响通航；方案2建设后，防波堤和疏港路之间的航道均处于冲刷状态。因此，在其他海域冲淤情况差别不大的基础上，采用方案1利于海阳港东港区海上疏港路的稳定，方案1优于方案2。

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NumericalSimulationandPredictionofErosion-DepositionCausedbytheConstructionoftheHaiyangCentralFishingHarbor

WUYuan-yuan,LOUAn-Gang,ZHANGKun,FANGXue-yuan

(Environmentalscienceandengineeringcollege，OceanUniversityofChina，Qingdao 266100，China)

The tidal currents in the waters before and after the construction of the Haiyang Central Fishing Harbor are numerically simulated by using the MIKE21 two-dimensional hydrodynamic model.On the basis of correct verification of the tidal current simulation,a model for predicting the erosion-deposition on the sea bed is built up,by which the annual erosion-deposition trend under a calm wind is predicted for the waters before and after the harbor construction.By using the MIKE21 Coupled Model FM，the erosion and deposition under the extreme weather (SE wind: 15m/s) and the co-action of wave and current are simulated.Based on the results,optimal plans are suggested,thus providing references for the planning and designing of the Haiyang Central Fishing Harbor.

MIKE21； Haiyang Central Fishing Harbor； numerical simulation； erosion-deposition model

2013-09-25

“山东半岛蓝色经济区”建设的海洋空间布局优化技术体系及决策服务系统应用示范——“蓝色”建设的海洋空间布局优化对策研究(201205001-4)

吴园园(1991-)，女，硕士研究生，主要从事海洋水动力数值模拟及泥沙数值模拟方面研究.E-mail:wyuanyuan91@163.com(杜素兰 编辑)

U654

A

1002-3682(2014)01-0001-11